船用柴油機(jī)NOX減排措施介紹及應(yīng)用

江秋紅

摘要：隨著時代的不斷發(fā)展，船用柴油機(jī)有害污染物的排放造成的大氣污染引起了人們的高度重視，為了適應(yīng)當(dāng)前船舶動力減排要求不斷提高的發(fā)展趨勢，本文僅介紹當(dāng)前各種減排技術(shù)及其效果，并在某機(jī)型上驗證HAM及SCR減排技術(shù)對NOX的優(yōu)化效果，為即將實(shí)施的TierⅢ排放要求確定本企業(yè)各機(jī)型柴油機(jī)采取的解決方案。

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī);環(huán)保;減排技術(shù);NOX;優(yōu)化效果

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0046-02

1? 船用柴油機(jī)有害物質(zhì)排放現(xiàn)狀及法規(guī)要求

船用柴油機(jī)因其燃油消耗低、扭矩大、使用壽命長的優(yōu)勢，成為了當(dāng)今最為主要的船舶動力。近年來，船用柴油機(jī)排放物造成的環(huán)境污染越來越受到國際重視，出臺了諸多關(guān)于限制柴油機(jī)排放物的法規(guī)公約。

海上環(huán)境保護(hù)委員會（MEPC）通過的船舶防污公約附則Ⅵ-修訂版對船用柴油機(jī)廢氣中的NOX排放量做出了明確的規(guī)定： 2016年1月1日強(qiáng)制實(shí)施Tier III階段法規(guī)，北美排放控制區(qū)和美國加勒比海排放控制區(qū)已全面實(shí)施，其他區(qū)域在2021年1月前也將陸續(xù)實(shí)施;2016年我國環(huán)保部發(fā)布船用發(fā)動機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法，對船用柴油機(jī)廢氣排放中的CO、HC+NOX化合物及顆粒物也提出了更高要求，柴油機(jī)減排迫在眉睫。

2? 控制柴油機(jī)NOX排放的常見措施

2.1 現(xiàn)階段控制柴油機(jī)NOX排放的常見方法已滿足Tier II要求，NOX排放的減排效果如表1所示。

2.2 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

2.2.1 延遲噴油定時? 延遲燃油噴射定時，可以提高燃油噴射速率，降低缸內(nèi)最高燃燒溫度，縮短混合氣體中氮、氧在高溫下的停留時間，從而可以減少NOX的產(chǎn)生，利用此方法可以將廢氣排放中NOX含量降低10～15%。

2.2.2 壓縮空氣缸前冷卻? 柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)采用增壓技術(shù)后，由于氣體經(jīng)增壓器壓縮后溫度升高， 必然會導(dǎo)致氣缸內(nèi)最高燃燒溫度升高，廢氣排放中NOX含量增加。在進(jìn)氣增壓系統(tǒng)中增加空冷器，可降低柴油機(jī)進(jìn)氣溫度及缸內(nèi)最高燃燒溫度，減少NOX的生成量。試驗表明柴油機(jī)進(jìn)氣溫度每降低10℃，廢氣中NOX含量下降約1.64%。

2.2.3 提高燃油噴射效率? 提高燃油噴射效率，保證油、氣在缸內(nèi)充分混合。通過調(diào)整柴油機(jī)噴油定時、噴油器的啟噴壓力、燃油噴射速度、噴嘴噴孔結(jié)構(gòu)來減少滯燃期內(nèi)可燃混合氣的生成是降低NOX的有效途徑。

2.2.4 米勒定時技術(shù)? 米勒定時基本原理是：通過調(diào)整進(jìn)氣閥的開、關(guān)時點(diǎn)，控制空氣進(jìn)氣量，在下止點(diǎn)前關(guān)閉進(jìn)氣閥，利用壓縮空氣的膨脹吸熱降低缸內(nèi)混合氣體的溫度和壓力，從而達(dá)到降低缸內(nèi)最高燃燒溫度減少NOX生成量的目的。

如果在柴油機(jī)上采用米勒定時技術(shù)，必須進(jìn)一步提高柴油機(jī)壓縮比和提高空氣的進(jìn)機(jī)壓力，才能既降低NOX生成量，又不影響柴油機(jī)其它機(jī)械性能。

2.3 STC可變噴油正時技術(shù)

合適的噴油延遲可明顯改善NOX排放，并不導(dǎo)致油耗的顯著上升;若噴油延遲過大，雖然能減少NOX生成，但必然會使排放物中CO和HC的比例上升，同時也會增加柴油機(jī)燃油消耗量。噴油正時的設(shè)定一般根據(jù)額定工況設(shè)置，忽略了部分工況的性能，采用可變噴油正時技術(shù)正好解決了以上問題，根據(jù)柴油機(jī)不同工況噴入需要的燃油，大幅降低了部分工況下的HC化合物、CO，PM的排放，NOX的排放也可降低10%左右。

2.4 VTA渦輪增壓技術(shù)（可變渦輪流通面積）

渦輪增壓柴油機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)一步提高柴油機(jī)的機(jī)械效率，使柴油機(jī)的動力性更強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性更高。但渦輪增壓的效果取決于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，若柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，渦輪增壓器不能發(fā)揮自身最佳效率，進(jìn)入柴油機(jī)的壓縮空氣總量不足，不能使噴入氣缸內(nèi)燃料完全充分燃燒，會導(dǎo)致排放更加惡劣，這是傳統(tǒng)渦輪增壓技術(shù)一直以來的弊端。若采用VTA渦輪增壓技術(shù)則可有效地解決這個問題，無論柴油機(jī)在任何工況和轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，它都能根據(jù)柴油機(jī)的燃油噴入量自動、持續(xù)、精確的吸入適量的壓縮空氣，從而提高缸內(nèi)燃燒效率，降低了HC化合物、CO，PM的排放量， NOX的生成量也可減少10%左右。

2.5 摻水技術(shù)

柴油機(jī)燃燒溫度的高低決定了NOX的生成量，適當(dāng)?shù)慕档透變?nèi)最高燃燒溫度，可減少NOX的生成。水在降低燃燒最高溫度減少NOX生成過程中可起到明顯作用，當(dāng)前使用的摻水技術(shù)主要有以下三種：

2.5.1 油水乳化技術(shù)? 對燃油系統(tǒng)作適當(dāng)改進(jìn)使燃油在燃燒室前形成乳化，再噴入燃燒室參入燃燒，這樣可降低NOX 20～30%，其缺點(diǎn)是乳化油的穩(wěn)定性及油水配比對柴油機(jī)性能有影響，燃油系統(tǒng)需特殊設(shè)計。

2.5.2 直接噴水技術(shù)? 通過分置式噴嘴直接將水噴入氣缸，可降低NOX 50～60%，該方案優(yōu)點(diǎn)為設(shè)備投資、維修費(fèi)用都較低，缺點(diǎn)是需對柴油機(jī)上的氣缸蓋及活塞等零部件進(jìn)行防侵蝕設(shè)計，否則殘留水易對柴油機(jī)零部件產(chǎn)生侵蝕，降低柴油機(jī)的使用壽命和可靠性，存在一定的危險性。

2.5.3 采用HAM空氣加濕技術(shù)? 利用水蒸氣加濕缸前增壓空氣，通過對進(jìn)氣系統(tǒng)中的增壓空氣加濕，加濕后增壓空氣進(jìn)入缸內(nèi)與燃油混合，這種混合油氣可以降低燃燒最高溫度，達(dá)到減少NOX生成量的目的。這種空氣加濕原理是使用熱水不斷地沖刷的換熱器表面，熱水氣化后變成水蒸氣。同時壓縮后的過熱空氣遇水蒸氣放熱，從過熱空氣變至飽和空氣，使壓縮空氣溫度降低，壓縮空氣經(jīng)過加濕器的多層阻氣裝置，形成的冷凝水可以放出。因此，供給氣缸內(nèi)的飽和空氣相對濕度可達(dá)到99%。這種空氣加濕技術(shù)可降低50～60%的 NOX生成量，其優(yōu)點(diǎn)是使用成本低。缺點(diǎn)是需在柴油機(jī)上的活塞、缸頭等零部件需進(jìn)行防侵蝕設(shè)計，否則殘留水對柴油機(jī)零部件造成侵蝕，降低了柴油機(jī)的使用壽命及可靠性，存在一定的危險性。

2.6 廢氣再循環(huán)技術(shù)

廢氣再循環(huán)（EGR）是將柴油機(jī)產(chǎn)生的部分廢氣引入進(jìn)氣系統(tǒng)，與新鮮吸入的壓縮空氣混合后再進(jìn)入到燃燒室內(nèi)參與燃燒，增加反燃燒物質(zhì)的熱容量以及CO2、H2O和N2這種惰性氣體，降低了進(jìn)入缸內(nèi)混合氣體中氧氣的相對密度，這樣可使燃燒室內(nèi)點(diǎn)火延遲，從而降低氣缸內(nèi)最高燃燒溫度，減少NOX生成。柴油機(jī)廢氣排放物中大約60～70%的NOX是在高負(fù)荷的工況下產(chǎn)生的，此時將適量的廢氣引入到進(jìn)氣系統(tǒng)中參入再循環(huán)燃燒，對于減少NOX是有顯著效果的。當(dāng)引入進(jìn)氣系統(tǒng)中的廢氣再循環(huán)率達(dá)到15%時，排放物中NOX可以減少50%以上，當(dāng)引入進(jìn)氣系統(tǒng)中的廢氣再循環(huán)率達(dá)到25%時，排放物中NOX可減少80%以上，但隨著引入進(jìn)氣系統(tǒng)中的廢氣再循環(huán)率不斷增加，氣缸內(nèi)的燃燒速度會變得越來越緩慢，燃燒的穩(wěn)定性也會越變越差，這樣會導(dǎo)致廢氣排放物中HC等顆粒物越來越多，零部件的磨損也會加快，影響柴油機(jī)的使用壽命，柴油機(jī)油耗也會惡化2～4%及功率下降等。另外各工況EGR效率的控制、排氣冷卻、凈化等技術(shù)問題難以解決，都是影響廢氣再循環(huán)廣泛使用的重要因素。

2.7 廢氣后處理（SCR）

廢氣后處理是對廢氣中已生成的NOX進(jìn)行凈化處理，將廢氣中的NOX還原成N2和H2O，從而減少NOX的生成。對柴油機(jī)廢氣后處理最有效的方法是選擇性催化還原法，簡稱SCR系統(tǒng)。它是將尿素噴入廢氣流或直接噴入燃燒室中，使氨能有選擇性的與NOX發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其中的氮分離成為無害的N2和水蒸氣。凈化效果顯著，最多可降低NOX達(dá)85～90%，另外CO和HC也有不同程度的降低。該系統(tǒng)既可以不用對柴油機(jī)本身結(jié)構(gòu)做改變，也不影響柴油機(jī)的使用壽命、性能及油耗，但投入成本較高、經(jīng)濟(jì)性差，體積也較大對船艙空間要求有所提高。

3? 某機(jī)型減排技術(shù)測試效果

根據(jù)上述減排技術(shù)的介紹，以下是以某機(jī)型為試驗機(jī)，試驗前將柴油機(jī)排放狀態(tài)調(diào)至最差，排放主要對其進(jìn)行HAM及SCR試驗研究，驗證HAM及SCR對降低柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生NOX的排放效果。

3.1 HAM空氣加濕試驗

采用0.7MPa壓縮空氣給淡水加壓后，通過直徑為0.81mm（6個）和0.74mm（6個）的噴孔噴射至柴油機(jī)進(jìn)氣道中與中冷后的壓縮空氣混合，每個噴孔的流量為0.45L/min。按照推進(jìn)特性運(yùn)行，當(dāng)工況為額定工況的75%以下時為開啟6個噴孔，水的消耗量為2.7L/min。當(dāng)工況為額定工況的75%以上時為開啟12個噴孔，水的消耗量為5.4L/min，經(jīng)計算混合空氣達(dá)到飽和蒸汽要求。根據(jù)試驗結(jié)果顯示，HAM技術(shù)可以降低NOX排量44%，但距離Tier III的排放限值（2.395g/kWh）還是存在一定的差距，試驗結(jié)果見表2。

3.2 廢氣處理（SCR）試驗

廢氣后處理工作原理是將還原劑噴入排氣管，使排氣中的氮氧化合物在催化器的作用下與還原劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氮氧化合物被還原成氮?dú)夂退?，在本試驗中后處理系統(tǒng)使用的是尿素作為還原劑。

試驗表明：廢氣經(jīng)催化還原（SCR）后可降低NOX排放量達(dá)85%，NOX排放加權(quán)值為2.08g/kWh，可以滿足到達(dá)TierⅢ限值（2.395g/kWh）的要求，試驗結(jié)果見表3。

4? 結(jié)論

不論選擇單一的減排措施還是使用組合式減排措施，都會在降低排放污染物的同時對柴油機(jī)或用戶產(chǎn)生一些負(fù)面影響，故選擇哪一種減排措施，都應(yīng)從柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及用戶的使用要求等方面權(quán)衡利弊，選擇最適合的減排措施滿足市場對柴油機(jī)的使用要求。

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